風(fēng)電齒輪箱故障分析及改進(jìn)措施
2025-09-10
1 引言
齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最為關(guān)鍵的部件之一，工作環(huán)境十分惡劣，在運(yùn)行過程中經(jīng)受載荷的大小和方向都難以預(yù)測(cè)，瞬間載荷、隨時(shí)間變化的變幅交變載荷的大量不確定性等導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組極易發(fā)生故障，作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中主要傳動(dòng)部件，齒輪箱是目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最容易產(chǎn)生故障的零部件之一。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般安裝在荒郊野外、山口、海邊等偏遠(yuǎn)地區(qū)，增速箱、發(fā)電機(jī)等部件又安裝于距地面幾十米高度的狹小的機(jī)艙內(nèi)，因?yàn)闄C(jī)艙空間有限、環(huán)境惡劣、交通不便、齒輪箱一旦出現(xiàn)故障，修復(fù)十分困難，另如若齒輪箱出現(xiàn)故障后不能在塔上維修須下塔處理的話，維修費(fèi)用較高，且整個(gè)維修周期較長，將嚴(yán)重影響風(fēng)場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。因此減小風(fēng)電齒輪箱出現(xiàn)故障的幾率，提供風(fēng)電齒輪箱易維護(hù)性，將是風(fēng)電齒輪箱設(shè)計(jì)及運(yùn)行維護(hù)過程需重點(diǎn)考慮的問題。
本文將從風(fēng)電齒輪箱常見故障問題入手，分析故障產(chǎn)生的原因及其影響因素，并提出在齒輪箱設(shè)計(jì)優(yōu)化、生產(chǎn)、運(yùn)行維護(hù)過程應(yīng)注意的問題及可采取的措施以供參考。
2 齒輪箱常見故障及原因分析
風(fēng)電齒輪箱常見故障有齒輪損傷、軸承損壞及運(yùn)轉(zhuǎn)異常、斷軸、滲漏油、齒輪箱異響、振動(dòng)較大、油溫油壓異常、連接螺栓損壞、潤滑系統(tǒng)故障等。
2.1 齒輪損傷
齒輪損傷主要包括輪齒折斷（斷齒）、齒面疲勞（點(diǎn)蝕）、齒面膠合、齒面磨損等。對(duì)齒輪箱中齒輪出現(xiàn)的故障，國內(nèi)外的觀察結(jié)果或報(bào)告都較為一致，即發(fā)生最多的仍為齒面的損壞，從應(yīng)用初期的微點(diǎn)蝕，到逐步擴(kuò)展的大面積點(diǎn)蝕、剝落或磨損。
斷齒常由細(xì)微裂紋逐步擴(kuò)展而成。突發(fā)性的陣風(fēng)或者電網(wǎng)故障導(dǎo)致的突發(fā)載荷、發(fā)生故障時(shí)的緊急制動(dòng)等，都會(huì)產(chǎn)生較大載荷，有時(shí)甚至數(shù)倍超過額定載荷，引起齒輪的過載折斷；另外軸承損壞、軸彎曲或較大硬物擠入嚙合區(qū)等也會(huì)引起輪齒的沖擊折斷；齒輪材料缺陷，點(diǎn)蝕、剝落或其他應(yīng)力集中造成的局部應(yīng)力過大，或較大的硬質(zhì)異物落入嚙合區(qū)均會(huì)引起齒輪的斷裂。在風(fēng)電齒輪箱內(nèi)部行星級(jí)、低速中間級(jí)、高速級(jí)都有出現(xiàn)的情況，其中齒輪斷齒的情況最為嚴(yán)重，一旦出現(xiàn)斷齒的情況，大部分齒輪箱需要下塔進(jìn)行維修。齒輪斷齒如圖1所示。
眾多研究及觀察表明，微點(diǎn)蝕主要發(fā)生于低速級(jí)，其它級(jí)則很少發(fā)生。其發(fā)生的原因一般認(rèn)為是和風(fēng)電齒輪箱的工作狀態(tài)如速度及載荷變化頻繁有關(guān)，此外齒面的粗糙度及油液的清潔度、含水量、粘性、油性等也對(duì)微點(diǎn)蝕的產(chǎn)生有直接影響。齒面潤滑的不充分也往往惡化齒面間的潤滑狀態(tài)，進(jìn)而加劇齒面摩擦和微點(diǎn)蝕的發(fā)生。齒輪強(qiáng)度設(shè)計(jì)不足，齒輪熱處理質(zhì)量不能滿足要求，齒面硬度不夠等都會(huì)導(dǎo)致齒面點(diǎn)蝕的產(chǎn)生。齒面點(diǎn)蝕如圖1所示。
圖1 齒輪斷齒和齒面點(diǎn)蝕
齒面發(fā)生膠合，可能原因有潤滑不充分，導(dǎo)致嚙合區(qū)溫度升高，導(dǎo)致潤滑失效，兩齒面相互粘連，發(fā)生膠合；行星級(jí)低速重載，齒面間油膜不易形成或被破壞，產(chǎn)生膠合。
齒面磨損主要原因有潤滑系統(tǒng)濾芯不能及時(shí)更換，導(dǎo)致潤滑油臟，鐵屑、雜質(zhì)等隨潤滑油進(jìn)入齒面間，導(dǎo)致齒面磨損。
2.2 軸承損壞
由于風(fēng)電機(jī)組工作的特殊性和載荷的復(fù)雜性，軸承是風(fēng)電齒輪箱中一個(gè)相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明早期的風(fēng)電齒輪箱故障大多是有軸承引起的，隨著現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)的增多，目前軸承引起的故障明顯降低，但在齒輪箱故障中仍占有一定比例，其失效常常會(huì)引起齒輪箱災(zāi)難性的破壞。由于涉及選型不當(dāng)、安裝偏差、潤滑不足等方面的原因，極易發(fā)生軸承燒毀，滾道表面發(fā)生點(diǎn)蝕、裂紋、表面剝落等損壞及軸承溫度異常等情況。軸承損壞及運(yùn)轉(zhuǎn)異常（溫升較快、前后軸承溫差較大）的主要影響因素有初始游隙和配合選擇不當(dāng)、相鄰部件變形（軸承座、軸）導(dǎo)致游隙變化；油嘴直徑過小、油壓過小、油嘴位置設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)葘?dǎo)致的潤滑油量過小；軸承選擇不當(dāng)，軸承所受徑向載荷不能達(dá)到軸承最小徑向載荷要求導(dǎo)致的軸承打滑；回油孔設(shè)計(jì)不當(dāng)，回油滯留導(dǎo)致回油不暢；潤滑油臟，鐵屑、雜質(zhì)等隨潤滑油進(jìn)入滾道間，導(dǎo)致軸承的磨損。
齒輪箱高速軸軸承發(fā)生損壞的情況較多，如若高速軸在塔上不可更換或齒輪箱內(nèi)其它部位的軸承（行星架軸承、行星輪軸承等）損壞后，齒輪箱須下塔進(jìn)行維修處理。
2.3 齒輪箱滲漏油
齒輪箱的滲漏油情況主要發(fā)生在箱體與齒圈結(jié)合面、端蓋與箱體結(jié)合面、低速軸和高速軸軸頸處、潤滑冷卻系統(tǒng)管接頭處等。箱體與齒圈結(jié)合面漏油的可能原因有箱體與齒圈連接螺栓松動(dòng)、箱體與齒圈結(jié)合面安裝密封膠條的環(huán)槽設(shè)計(jì)不當(dāng)，密封膠條選用不合適等。齒輪箱低速軸、高速軸軸 頸處滲油、漏油主要原因有密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致回油不暢、采用盤根接觸式密封，盤根磨損后導(dǎo)致回油孔堵塞、密封件選用不合適等。潤滑系統(tǒng)管接頭處滲漏油主要原因有管接頭松動(dòng)或是沒有擰緊，管接頭安裝時(shí)沒有涂密封膠、管接頭本身密封效果不好等。如圖2所示的高速軸密封結(jié)構(gòu)，此密封結(jié)構(gòu)存在一定滲漏油風(fēng)險(xiǎn)，甩油環(huán)甩出的油易附著在端蓋的面上，有可能造成油從端面上重新滴落到軸上，另外密封件（盤根）易被磨損，且磨損產(chǎn)生的顆粒雜物進(jìn)入回油通道后易將其堵塞，從而影響回油導(dǎo)致高速軸滲漏油。
圖2 某型號(hào)齒輪箱高速軸密封結(jié)構(gòu)
2.4 齒輪箱異響、振動(dòng)大
齒輪箱異響總和振動(dòng)相伴的，齒輪箱異響及振動(dòng)較大的情況較多，異響和振動(dòng)產(chǎn)生的原因分析比較復(fù)雜，但是可以確定的是以下各因素都有可能導(dǎo)致齒輪箱產(chǎn)生異響和較大的振動(dòng)：齒輪件和箱體加工精度不高、各部件裝配誤差較大；齒輪箱箱體強(qiáng)度不高、軸剛度不足，導(dǎo)致齒輪軸發(fā)生變形、影響齒輪嚙合產(chǎn)生異響和振動(dòng)；齒輪傳動(dòng)因摩擦磨損和疲勞點(diǎn)蝕、剝落使齒輪嚙合精度大為降低，亦會(huì)產(chǎn)生異響和振動(dòng)。
2.5 齒輪箱油溫油壓異常
齒輪箱油溫油壓異常主要表現(xiàn)在齒輪箱油溫偏高、油壓偏高或偏低等。齒輪箱油溫偏高的主要因素有冷卻器冷卻能力設(shè)計(jì)不夠；主機(jī)機(jī)艙通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)，機(jī)艙通風(fēng)效果不好，導(dǎo)致齒輪箱溫度偏高；潤滑系統(tǒng)溫控閥故障，齒輪箱潤滑油不經(jīng)冷卻器直接進(jìn)入齒輪箱；齒輪箱潤滑油壓異常，影響因素有潤滑系統(tǒng)支路故障、潤滑系統(tǒng)故障等。潤滑系統(tǒng)故障主要包括溫控閥問題導(dǎo)致齒輪箱油溫偏高、機(jī)械泵抽不起油、潤滑系統(tǒng)電機(jī)故障、油泵電機(jī)過載（溫度低、粘度大）等。
2.6 其它
2.6.1 齒輪箱連接螺栓損壞
齒輪箱連接螺栓損壞主要發(fā)生在箱體和齒圈連接處，主要損壞形式為螺栓斷裂，主要影響因素有齒輪箱受沖擊載荷的作用；螺栓本身質(zhì)量問題（螺柱整體熱處理效果差，表面質(zhì)量存在缺陷）；螺栓松動(dòng)或沒有按規(guī)定力矩?cái)Q緊，使得螺栓在工作過程被剪斷；
2.6.2穿線管斷裂
風(fēng)電機(jī)組輪轂部分電力和信號(hào)線需從齒輪箱空心管穿過與滑環(huán)單元連接，因此空心管的故障將影響整機(jī)的正常工作。空心管故障主要表現(xiàn)在空心管斷裂，斷裂主要發(fā)生在空心管與軸承安裝軸頸焊接部分（圖3中Ⅰ處）。發(fā)生斷裂的原因主要是空心管焊接質(zhì)量達(dá)不到要求（如存在焊瘤、咬邊、燒穿、未焊透、夾渣、氣孔、焊接裂紋以及焊縫形狀和尺寸不符合要求等），導(dǎo)致空心管在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中發(fā)生斷裂，出現(xiàn)斷裂后齒輪箱需下塔處理方可進(jìn)行維修。
圖3 空心管部分結(jié)構(gòu)
2.6.3 齒輪箱油漆脫落
齒輪箱油漆脫落主要表現(xiàn)在齒輪箱外部油漆。齒輪箱外表面油漆脫落主要發(fā)生在縮進(jìn)盤、齒輪箱內(nèi)齒圈表面，主要原因是縮緊盤、內(nèi)齒圈表面表面光潔度較高，油漆附著力達(dá)不到要求。
2.6.4箱體內(nèi)部齒輪生銹
齒輪箱長時(shí)間存放，箱體內(nèi)部齒輪件上防銹油膜損壞失去防銹功能，導(dǎo)致齒輪件表面出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，銹蝕情況較輕，可通過跑合除出銹蝕，對(duì)于銹蝕較嚴(yán)重的齒輪箱需開箱進(jìn)行除銹。
2.6.5 箱體開裂
低溫條件下齒輪箱受沖擊載荷作用，齒輪箱箱體或齒圈發(fā)生開裂，主要原因是箱體材料本身或熱處理達(dá)不到要求導(dǎo)致低溫時(shí)的脆性斷裂。
3 風(fēng)電齒輪箱的設(shè)計(jì)及運(yùn)行維護(hù)建議
針對(duì)風(fēng)電齒輪箱出現(xiàn)的上述問題，要求齒輪箱在設(shè)計(jì)、運(yùn)行維護(hù)過程中必須采取相應(yīng)措施，以減小上述問題出現(xiàn)的概率，下面將從齒輪箱設(shè)計(jì)、運(yùn)行維護(hù)養(yǎng)方面提出相關(guān)建議予以參考。
3.1.齒輪件的精加工及修形
研究表明，較低的表面粗糙度對(duì)抑制齒面微點(diǎn)蝕的產(chǎn)生和改善齒面間的潤滑條件，減少磨損，降低摩擦，延長齒輪副的運(yùn)行壽命及增強(qiáng)抗腐蝕疲勞的能力均有著十分明顯的影響。
目前國內(nèi)齒輪件的表面粗糙度要求為Ra0.8，甚至低于這個(gè)要求，據(jù)報(bào)道國外最終齒面粗糙度可達(dá)Ra0.2~0.4，這一工藝目前在我國尚未采用。建議齒輪箱制造商應(yīng)充分利用現(xiàn)有工藝手段，通過改變磨削介質(zhì)和工藝參數(shù)，采用精磨方法盡量接近上述目標(biāo)，以便為穩(wěn)定批量生產(chǎn)高性能風(fēng)電齒輪箱提供硬件保證。
另外提高齒輪件的加工精度，利用先進(jìn)的技術(shù)和軟件進(jìn)行齒輪的修形，可避免齒輪在傳動(dòng)中受載變形、減小偏載，使載荷平穩(wěn)過渡，明顯降低齒輪箱的噪聲和振動(dòng)。
3.2 齒輪箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)
高速軸部套故障在風(fēng)電齒輪箱故障中占得比例較高，是齒輪箱極易出現(xiàn)故障的部件，如若高速軸不具備可拆卸條件，高速軸部套出現(xiàn)故障后齒輪箱只能進(jìn)行下塔維修，維修成本及維修周期將增加，因此齒輪箱在設(shè)計(jì)過程中，高速軸部套須具備可拆卸的條件。早期設(shè)計(jì)的齒輪箱，大多齒輪箱高速軸 不具備可拆卸的條件，后續(xù)產(chǎn)品維修過程中，高速軸單元須做進(jìn)一步的優(yōu)化，使高速軸具備可拆卸的條件。
隨著海上風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，對(duì)風(fēng)電齒輪箱也提 出的更高的要求，因海上風(fēng)電機(jī)組的維護(hù)成本較高，要求除了高速軸部套具備可拆卸條件外，其它部套亦具備可拆卸的條件，因此風(fēng)電齒輪箱的模塊化設(shè)計(jì)要求將愈加強(qiáng)烈。
因螺栓質(zhì)量問題導(dǎo)致齒輪箱箱體和內(nèi)齒圈連接螺栓斷裂的情況時(shí)有發(fā)生，若連接螺栓損壞后不能及時(shí)進(jìn)行更換，將影響齒輪箱的正常運(yùn)行，因此要求齒輪箱外部連接螺栓須具備開拆卸的條件，即不存在因螺栓干涉導(dǎo)致不可拆卸的情況。
對(duì)于鎖緊盤、內(nèi)齒圈因表面光潔度較高使得油漆附著力達(dá)不到要求導(dǎo)致脫漆的現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)時(shí)可通過增加其表面粗糙度以提高油漆附著力。對(duì)于已加工的，可通過滾花等措施來增加其表面粗糙度。
對(duì)于穿線管斷裂的情況，可通過優(yōu)化其焊接部分的結(jié)構(gòu)或?qū)⒖招墓懿糠指某烧w式結(jié)構(gòu)。焊接部分優(yōu)化包括增加焊接部分的配合長度，提高焊接質(zhì)量等。
3.3 齒輪箱的運(yùn)行維護(hù)建議
為了防止齒輪箱內(nèi)部齒輪件生銹，對(duì)于庫存時(shí)間較長或長時(shí)間停止運(yùn)行機(jī)組的齒輪箱須定期進(jìn)行竄油，使齒輪件上的油膜再次形成以避免齒輪件銹蝕現(xiàn)象的出現(xiàn)。
空氣過濾器可吸收空氣中的潮氣，除去空氣中的微塵等雜質(zhì)，因此可減緩液壓系統(tǒng)中的氧化作用，延緩液壓油和整個(gè)設(shè)備的使用壽命，同時(shí)平衡齒輪箱與外界的氣壓平衡（齒輪箱內(nèi)部壓力過大導(dǎo)致滲油），因此應(yīng)定期檢查空氣過濾器的工作狀態(tài)。空氣過濾器中干燥劑的顏色會(huì)發(fā)生變化后，空氣過濾器的除濕能力已用盡，因此應(yīng)定期檢查空氣過濾器，以保持空氣過濾器的除濕和除塵能力
為保持潤滑油的清潔度，須定期檢查更換濾芯和潤滑油，至少每6個(gè)月檢查一次濾芯，在齒輪箱啟動(dòng)8-12周之后應(yīng)該第一次更換濾芯。此后，如果有需要時(shí)可以隨時(shí)更換，但至少每年更換一次。潤滑油更換周期不得大于36個(gè)月，除非油樣已經(jīng)過測(cè)試并且證明是可以使用的。
機(jī)組在運(yùn)行過程中，應(yīng)避免緊急剎車，要求每年緊急剎車不超過三次，需要?jiǎng)x車時(shí)，采用偏航和變槳的方式先卸載，降低齒輪箱的載荷和輸出的轉(zhuǎn)速，采用點(diǎn)剎的方式，逐步降低輸出轉(zhuǎn)速，減小對(duì)齒輪箱的沖擊，同時(shí)避免機(jī)組長時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)行，使齒輪箱長時(shí)間過載運(yùn)行，造成齒輪箱損壞。
來源： 能源情報(bào)網(wǎng)信息監(jiān)測(cè)服務(wù)平臺(tái)
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